IGBT驱动软关断和有源钳位技术

IGBT驱动软关断和有源钳位技术

谢方南

阳光电源股份有限公司 230088

【摘要】： 由于功率回路杂散电感的存在，IGBT在关断过程中会产生过高的Vce电压尖峰，带来了IGBT损坏的风险。本文介绍了PI公司在大功率驱动系统中常用的软关断和有源钳位技术，分析了两种电路抑制IGBT关断电压尖峰的基本工作原理和注意事项。通过这两种技术可以有效减缓IGBT的di/dt，从而降低Vce电压尖峰，有效保护IGBT正常运行。

【关键词】：电压尖峰，软关断，有源钳位

1 引言

由于IGBT自身寄生电感以及主回路杂散电感的存在，IGBT在关断时，回路杂感产生的电压和母线电压叠加起来形成IGBT两端VCE电压尖峰，如图1所示：

图1 IGBT换流电路及关断时Vce特性

其中 ，为回路杂散电感产生的压降。若是Vce电压尖峰过高，则会损坏IGBT模块。通常可以采用软关断和有源钳位技术限制Vce电压尖峰，有效保护IGBT。

2. 解决分析过程

1. 软关断技术

软关断技术基本工作原理：如图2所示，IGBT正常关断时，选择较小的门极关断电阻以减少开关损耗；当检测到短路故障时，切换到较大的关断电阻缓慢释放门极电荷，减缓门极电压下降速度，从而减小IGBT的di/dt，降低Vce电压尖峰。

图2 IGBT软关断原理示意图

图3所示为驱动板检测到IGBT短路时的软关断保护试验波形，可以看到通过软关断，电流缓慢降低，产生的Vce电压尖峰也很小，有效保护了IGBT。

图3驱动板检测到短路保护故障

然而软关断电路需要检测到短路故障才能动作，这一条件在一定程度上限制了软关断的可靠性。具体分析如下：

如图4所示IGBT的开通特性，短路保护是根据IGBT开通后经过一段响应时间检测到的Vce是否大于短路门槛电压Vth反馈的。当检测到的Vce大于Vth，则认定为短路故障；反之，正常运行。

图4 IGBT开通特性及Vce检测

若是在短路情况下，是一个宽度小于响应时间的脉冲驱动信号，将检测不到短路状况，不能执行软关断，将会产生过高的Vce电压，可能损坏IGBT。另外，在关断时，如果有较大的过流情况但是没有短路也会产生较大的Vce过电压尖峰。软关断电路的动作条件能够在短路情况有效保护IGBT的使用安全，但是受限于它的执行条件，它不能在整个驱动运行过程中可靠的抑制所有过电压，这在大功率系统应用中存在很大的潜在风险。

2. _{有源钳位技术}

有源钳位的基本工作特性如图5所示，它通过抬升门极电压以减小关断时的di/dt，降低Vce电压尖峰。

图5 IGBT驱动信号有源钳位关断特性

具体如图6所示为PI公司SCLAE2芯片的先进有源钳位（Advanced Active Clamping，简称AAC）工作原理示意图。当Vce电压过大时击穿TVS管，电流Iaac流进AAC单元。AAC单元会根据Iaac大小控制下管Mosfet。当电流大于约40mA时，下管Mosfet被线性地关断；当Iaac超过约500mA时，下管Mosfet完全关断。同时，电流Iz向门极电容充电，使得门极电压由关断时的Miller平台抬升到+15V，从而减小关断时的di/dt，降低电压尖峰，达到电压钳位的效果。

图6 有源钳位工作原理示意图

我们需注意，有源钳位的本质是延长关断时间，将杂散电感的能量在IGBT的线性区消耗掉，此时，IGBT上有较大的损耗。因此在大功率系统中我们通常采用层叠母排以尽量减小回路杂散电感值，减少能量损耗；同时，我们在IGBT两端增加无感吸收电容以减小关断电压尖峰，保护管子正常运行。

图7所示为IGBT有源钳位动作的实验波形，Vge向上翘的部分即为钳位动作时抬升的门极电压。另外，由于有源钳位电路动作存在一定的延时，所以集电极电压值相比钳位电压也存在一定的超调。

图7 有源钳位动作波形

要注意钳位电压太小容易触发有源钳位频繁动作，会增大IGBT的损耗；钳位电压太大又不能有效抑制IGBT的过压尖峰。另外，有源钳位每次动作都会击穿TVS管，TVS输出电流越大，频率越高，则TVS管上产生的损耗也越大。因此要选择适当的TVS管，在保证减小Vce尖峰电压的同时，尽量限制有源钳位的动作频率。

3 结束语

软关断电路能在正常检测到短路故障时，有效减缓IGBT关断时的电流，减小Vce电压尖峰。但是软关断电路受限于其自身动作的条件，所以在驱动电路中，需要有源钳位电路才能更加有效的消除IGBT面临的过电压风险。然而有源钳位本质上是将高而窄的电压尖峰，转换为矮而宽的电压脉冲消耗在IGBT的关断过程中。因此，要注意有源钳位的相关动作事项，同时应尽量减少回路杂散电感，保障大功率系统中IGBT的正常运行。

4 参考文献

1. Advantages of Advanced Active Clamping.

2. 2SP0320V and 2SP0320S Description & Application Manual.

3. 2SD300C17 Description & Application Manual.

4. IN-1101_minor_change_Plug-and-play_drivers.

5. IGBT_Protection.pdf

作者介绍：

谢方南（1986.7.12），性别：男；籍贯：安徽省萧县；民族：汉；学历：硕士研究生；职称：工程师；职务：硬件工程师；研究方向：新能源发电。

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